信號發(fā)生器的基礎(chǔ)知識和選購指南

本文主要介紹信號發(fā)生器的基礎(chǔ)知識，首先介紹通用的信號發(fā)生器有哪些分類，并簡要說明了各種信號源的特點(diǎn)和作用，另外重點(diǎn)講解了信號發(fā)生器的主要指標(biāo)，介紹了現(xiàn)有信號發(fā)生器一些特殊功能。
關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、頻率分辨率、存儲(chǔ)深度

一、引言
信號源是根據(jù)用戶對其波形的命令來產(chǎn)生信號的電子儀器。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形），然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)。可見信號源在電子實(shí)驗(yàn)和測試處理中，并不測量任何參數(shù)，而是根據(jù)使用者的要求，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以達(dá)到測試的需要。
二、 信號源的分類和作用
信號源有很多種分類方法，其中一種方法可分為混和信號源和邏輯信號源兩種。其中混和信號源主要輸出模擬波形；邏輯信號源輸出數(shù)字碼形。混和信號源又可分為函數(shù)信號發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器，其中函數(shù)信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)波形，如正弦波、方波等，任意波/函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發(fā)生器又可分為脈沖信號發(fā)生器和碼型發(fā)生器，其中脈沖信號發(fā)生器驅(qū)動(dòng)較小個(gè)數(shù)的的方波或脈沖波輸出，碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。如泰克生產(chǎn)的AFG3000系列就包括函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形/函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器的功能。
另外，信號源還可以按照輸出信號的類型分類，如射頻信號發(fā)生器、掃描信號發(fā)生器、頻率合成器、噪聲信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器等等。信號源也可以按照使用頻段分類，不同頻段的信號源對應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域。
下面我們將對函數(shù)信號發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器做簡要介紹：
1、 函數(shù)信號發(fā)生器
函數(shù)發(fā)生器是使用最廣的通用信號源，提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形，有的還同時(shí)具有調(diào)制和掃描功能。
函數(shù)波形發(fā)生器在設(shè)計(jì)上分為模擬式和數(shù)字合成式。眾所周知，數(shù)字合成式函數(shù)信號源（DDS）無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優(yōu)于模擬式，其鎖相環(huán)（PLL）的設(shè)計(jì)讓輸出信號不僅是頻率精準(zhǔn)，而且相位抖動(dòng)（phase Jitter）及頻率漂移均能達(dá)到相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)，但數(shù)字式信號源中，數(shù)字電路與模擬電路之間的干擾始終難以有效克服，也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數(shù)信號發(fā)生器，如今市場上的大部分函數(shù)信號發(fā)生器均為DDS信號源。
2、任意波形發(fā)生器
任意波形發(fā)生器，是一種特殊的信號源，不僅具有一般信號源波形生成能力，而且可以仿真實(shí)際電路測試中需要的任意波形。在我們實(shí)際的電路的運(yùn)行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)際電路往往存在各種缺陷信號和瞬變信號，如果在設(shè)計(jì)之初沒有考慮這些情況，有的將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。任意波發(fā)生器可以幫您完成實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)際電路，對您的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的測試。
由于任意波形發(fā)生往往依賴計(jì)算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴(kuò)充儀器的能力，更進(jìn)一步仿真實(shí)驗(yàn)。另外，內(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取編輯波形，有利于參考對比，或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)作更進(jìn)一步分析與處理。有些任意波形發(fā)生器有波形下載功能，在作一些麻煩費(fèi)用高或風(fēng)險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實(shí)時(shí)記錄下來，然后通過計(jì)算機(jī)接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計(jì)電路，更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
泰克推出的AFG3000系列三合一信號源，可以完成以上提到的功能，并且在波形輸出的精度、穩(wěn)定性等方面都有較大提高，是走在行業(yè)前列的新一代任意波發(fā)生器。
三、信號源的主要技術(shù)指標(biāo)
傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo)和新近研發(fā)的任意波形發(fā)生器的主要指標(biāo)有一些不同，我們這里分開介紹。
（一）普通函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo)：
帶寬（輸出頻率范圍）
儀器的帶寬是指模擬帶寬，與采樣速率等無關(guān)，信號源的帶寬是指信號的輸出頻率的范圍，并且一般來講信號源輸出的正弦波和方波的頻率范圍不一致，例如，某函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波的頻率范圍是1mHz?～ 240MHz，而輸出方波的頻率范圍是1mHz ～120MHz。
頻率（定時(shí)）分辨率
頻率分辨率，即最小可調(diào)頻率分辨率，也就是創(chuàng)建波形時(shí)可以使用的最小時(shí)間增量。
頻率準(zhǔn)確度
信號源顯示的頻率值與真值之間的偏差，通常用相對誤差表示，低檔信號源的頻率準(zhǔn)確度只有1%，而采用內(nèi)部高穩(wěn)定晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到108～1010。例如，某信號源的頻率準(zhǔn)確度為1ppm。
頻率穩(wěn)定度
頻率穩(wěn)定度是指外界環(huán)境不變的情況下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于設(shè)置讀數(shù)的偏差值的大小。頻率穩(wěn)定度一般分為長期頻率穩(wěn)定度（長穩(wěn)）和短期頻率穩(wěn)定度（短穩(wěn)）。其中，短期頻率穩(wěn)定度是指經(jīng)過預(yù)熱后，15分鐘內(nèi)，信號頻率所發(fā)生的最大變化；長期頻率穩(wěn)定度是指信號源經(jīng)過預(yù)熱時(shí)間后，信號頻率在任意三小時(shí)內(nèi)所發(fā)生的最大變化。
輸出阻抗
信號源的輸出阻抗是指從輸出端看去，信號源的等效阻抗。例如，低頻信號發(fā)生器的輸出阻抗通常為600Ω，高頻信號發(fā)生器通常只有50Ω，電視信號發(fā)生器通常為75Ω。
輸出電平范圍
輸出幅度一般由電壓或者分貝表示，指輸出信號幅度的有效范圍。另外，信號發(fā)生器的輸出幅度讀數(shù)定義為輸出阻抗匹配的條件下，所以必須注意輸出阻抗匹配的問題。
（二）任意波發(fā)生器的主要指標(biāo)：
取樣（或采樣）速率
取樣速率通常用每秒兆樣點(diǎn)或者千兆樣點(diǎn)表示，表明了儀器可以運(yùn)行的最大時(shí)鐘或取樣速率。取樣速率影響著主要輸出信號的頻率和保真度。奈奎斯特取樣定理規(guī)定，取樣頻率或時(shí)鐘速率必須至少是生成的信號中最高頻譜成分的兩倍，以保證精確的復(fù)現(xiàn)。
存儲(chǔ)深度（記錄長度）
存儲(chǔ)深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的最大樣點(diǎn)數(shù)量（相當(dāng)于時(shí)間）。每個(gè)波形樣點(diǎn)占用一個(gè)存儲(chǔ)器位置，每個(gè)位置等于當(dāng)前時(shí)鐘頻率下取樣間隔時(shí)間。任意波形發(fā)生器的帶寬是由任意波發(fā)生器的取樣速率和存儲(chǔ)深度決定的。
垂直（幅度）分辨率
信號源的垂直分辨率是指信號源中可以編程的最小電壓增量，也就是儀器數(shù)模轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制字寬度，單位為位，它規(guī)定了波形的幅度精度。在混和信號源中，垂直分辨率與儀器DAC的二進(jìn)制字長度有關(guān)，位越多，分辨率就越高。
四、信號源的主要功能
一臺(tái)功能較強(qiáng)的信號源，還有信號調(diào)制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時(shí)鐘輸出、Burst及頻率計(jì)等功能：
信號調(diào)制功能
信號調(diào)制是指被調(diào)制信號中，幅度、相位或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號中，得到的信號可以傳送從語音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號。信號調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，其中模擬調(diào)制，如幅度調(diào)制（AM）和頻率調(diào)制（FM）最常用于廣播通信中，而數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
頻率掃描功能
測量電子設(shè)備的頻率特點(diǎn)要求“掃描”正弦波，其會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)改變頻率。一般分成線性（Lin）掃頻及對數(shù)（Log）掃頻；高級信號發(fā)生器支持掃頻功能，而且可以選擇開始頻率、保持頻率、停止頻率和相關(guān)時(shí)間，有些信號發(fā)生器還提供與掃頻同步的觸發(fā)信號。
TTL同步輸出功能
一般信號源輸出的TTL同步信號是方波經(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)成的，電平為0（Low）、3.6～5V（High）。主要用來同步其他信號源，或其他類型的儀器，以保證觸發(fā)同步。
參考時(shí)鐘輸出功能
TTL同步輸出只能保證觸發(fā)同步，要想使信號源完全同步就要讓時(shí)鐘同步，參考時(shí)鐘輸出就是為了讓兩臺(tái)信號源的時(shí)鐘同步而設(shè)計(jì)的，一般參考時(shí)鐘輸出頻率較穩(wěn)定的方波信號。
Burst功能
類似One Shot功能，輸入一個(gè)TTL信號，則可讓信號源產(chǎn)生一個(gè)周期的信號輸出，設(shè)計(jì)方式是在沒有信號輸入時(shí)，輸出接地即可。
頻率計(jì)
除市場上簡易的刻度盤顯示之外，無論是LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示頻率，其與頻率計(jì)電路是重疊的。
小結(jié)
信號發(fā)生器是基礎(chǔ)的通用儀器之一，是電子工程師信號仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了函數(shù)信號發(fā)生器的基礎(chǔ)知識，為您的選型和概念的了解提供方便。我們選購時(shí)除關(guān)心信號源的基本指標(biāo)外，還需要關(guān)心他的高級功能，如波形編輯和下載功能，和計(jì)算機(jī)的通訊能力，幾臺(tái)信號發(fā)生器的同步能力等等。根據(jù)工程師自己的應(yīng)用需要，選擇合適的信號發(fā)生器，為工程師的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面，真實(shí)的測試，對自己研發(fā)的產(chǎn)品更有信心。 參考文獻(xiàn)
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